Evaluation of reservoir potential and induced seismicity of deep geothermal systems

Abstract

En els darrers anys els efectes del canvi climàtic han potenciat la transició i la cerca de noves fonts d’energia renovables, entre elles la geotèrmia. L’exploració i explotació de reservoris geotèrmics profunds ha crescut de forma significativa al llarg dels darrers anys arreu del món. No obstant, molts reservoris geotèrmics profunds de mitja i alta temperatura encara resten sense aprofitar degut als elevats costos d’exploració i producció, l’impacte social que generen i la sismicitat induïda que poden generar en els casos en què requereixen estimulació hidràulica. A més, les incerteses associades a la manca de capacitat per poder avaluar la capacitat productiva del recurs incrementen els riscos alhora de fer-ne prediccions. Per aquest motiu, els esforços científics i tecnològics es centren alhora en la generació de models predictius per reduir la incertesa i en millorar el coneixement sobre els processos que donen lloc als riscos associats i poder anticipar-se als perills que comporten. Dins d’aquestes eines o models, destaquen les simulacions numèriques com a eina per a modelitzar el comportament dinàmic dels reservoris geotèrmics i poder-ne avaluar, amb antelació, el seu comportament davant l’extracció dels recursos (energia) o davant de fases d’estimulació hidràulica per a millorar-ne les seves capacitats productives. Aquestes fases d’estimulació hidràulica són les responsables de produir el que s’anomena sismicitat de baixa intensitat (i. e. microsismicitat), però que a vegades pot desencadenar en terratrèmols percebuts per la població i que poden afectar de forma capdalt en el desenvolupament dels projectes on succeeixen. Per aquests motius, un dels objectius principals de la tesi es avaluar mitjançant simulacions numèriques els processos que donen lloc a la sismicitat induïda en un context d’injecció de fluids en reservoris geotèrmics profunds. Aquests treballs es duen a terme a través dels codis de simulació numèrica CFRAC i TOUGHFLAC3D que permeten avaluar el fenomen d’es d’un punt de vista de medi discontinu i continu respectivament. Els treballs es centren en l’anàlisi dels diferents règims de lliscament i en les transicions entre comportament sísmic vs. asísmic i els cicles sísmics que se’n generen. Aquests coneixements, s’utilitzen per abordar les caigudes de pressió observades en la fase d’estimulació hidràulica del reservori de Rittershoffen (França) i per analitzar el comportament sísmic de falles amb complexitat geomètrica. També s’aborda la problemàtica de la capacitat d’exploració y predicció dels recursos, un dels aspectes crítics que frena el desenvolupament de l’explotació dels reservoris geotèrmics profunds. Així, s’ha desenvolupat una eina capaç de generar mapes probabilístics dels potencial geotèrmic profund utilitzant com a dades d’entrada models geològics i termals 3D. L’eina, 3DHIP-Calculator té el doble objectiu de generar mapes de potencial geotèrmic i d’afavorir la difusió dels recursos geotèrmics profunds a la societat.

En los últimos años los efectos del cambio climático han potenciado la transición y búsqueda de nuevas fuentes de energía renovables, entre ellas la geotermia. La exploración y explotación de reservorios geotérmicos profundos ha crecido significativamente en los últimos años. No obstante, muchos reservorios geotérmicos profundos de media y alta temperatura aún se encuentran sin aprovechar debido a los elevados costes de exploración y producción o el impacto social que generan y como consecuencia de la sismicidad inducida que pueden generar durante la fase de estimulación hidráulica del reservorio. Además, las incertidumbres asociadas a la falta de capacidad para poder evaluar la capacidad productiva del recurso incrementan los riesgos a la hora de hacer predicciones. Por este motivo, los esfuerzos científicos y tecnológicos se centran, a la vez, en la generación de modelos predictivos para reducir la incertidumbre y en mejorar el conocimiento sobre los procesos que dan lugar a los riesgos asociados y poder anticiparse a los peligros que comportan. Dentro de estas herramientas o modelos, destacan las simulaciones numéricas como una herramienta para modelizar el comportamiento dinámico de los reservorios geotérmicos y poder evaluar, con antelación, su comportamiento durante el proceso de extracción de los recursos (energía) o durante las fases de estimulación hidráulica para mejorar sus capacidades productivas. Durante estas fases de estimulación se puede producir una sismicidad de baja intensidad (i. e. micosismicidad), pero que en ocasiones puede desencadenar terremotos percibidos por la población y que pueden afectar de forma importante la viabilidad de los proyectos. Por estos motivos, uno de los objetivos principales de la tesis es evaluar mediante simulaciones numéricas los procesos que dan lugar a la sismicidad inducida en un contexto de inyección de fluidos en reservorios geotérmicos profundos. Estos trabajos se llevan a cabo mediante los códigos de simulación numérica CFRAC y TOUGHFLAC3D que permiten evaluar el fenómeno desde un punto de vista de medio discontinuo y continúo, respectivamente. Los trabajos se centran en el análisis de los diferentes regímenes de deslizamiento y en las transiciones entre comportamientos sísmicos vs. asísmicos y en los ciclos sísmicos que se generan. Estos conocimientos, se utilizan para abordar las caídas de presión observadas en la fase de estimulación hidráulica del reservorio de Rittershoffen (Francia) y para analizar el comportamiento sísmico de las fallas con complejidad geométrica. También se aborda la problemática de la capacidad de exploración y predicción de los recursos, uno de los aspectos críticos que frena el desarrollo de la explotación de los reservorios geotérmicos profundos. Así, se ha desarrollado una herramienta capaz de generar mapas probabilísticos del potencial geotérmico profundo utilizando como datos de entrada modelos geológicos y termales 3D. La herramienta, 3DHIP-Calculator tiene el doble objetivo de generar mapas de potencial geotérmico y de favorecer la difusión de recursos geotérmicos profundos a la sociedad.

The effects of the climate change have boosted the transition to and the search for new renewable energy sources in recent years, such as geothermal. The exploration and exploitation of deep geothermal reservoirs has grown significantly around the world. However, many deep medium- and high-temperature geothermal reservoirs are still untapped due to the high costs of their exploration and production, the social impact that projects generate and the induced seismicity they can trigger in cases where their production requires hydraulic stimulation. In addition, the uncertainties associated with the lack of capacity for the assessment of the resource increase the risks of project failure. For this reason, scientific and technological efforts are focused both on improving the existing knowledge about the processes that give rise to the risks associated with geothermal energy production and on generating predictive models to reduce uncertainty and anticipate and minimise risks. Within these tools or models, numerical simulations stand out as a key method to model the dynamic behaviour of geothermal reservoirs and to be able to forecast their behaviour in terms of the production of the resource (energy) or when phases of hydraulic stimulation are required to improve energy extraction. Hydraulic stimulation operations are responsible for producing the so called microseismicity (low intensity seismicity), which can sometimes trigger earthquakes perceived by the population and that can negatively affect project. For these reasons, one of the main objectives of this PhD thesis is to evaluate by means of numerical simulations the processes that give rise to induced seismicity in a context of injection of fluids in deep geothermal reservoirs. These works are carried out through the numerical simulation codes CFRAC and TOUGHREACT-FLAC3D that allow evaluating the phenomenon from a discontinuous and a continuous point of view, respectively. The study focuses on the analysis of the different sliding regimes and the transitions between seismic and aseismic behaviour and the seismic cycles that are generated from them. This knowledge is used to address the pressure drops observed in the hydraulic stimulation phase of the Rittershoffen reservoir (France), and to analyse the seismic behaviour of geometrically complex faults. As mentioned above, another key aspect that hampers the development of deep geothermal reservoir exploration is the ability to predict the resources they contain. Thus, in the framework of the thesis, a tool has been developed for the generation of probabilistic maps of the deep geothermal potential using as input data 3D geological and thermal models. The tool, called 3DHIP-Calculator, has the dual aim of generating maps of geothermal potential and of favouring the diffusion of deep geothermal resources to the society.